多失效模式相关的结构系统可靠性分析.pdf

《多失效模式相关的结构系统可靠性分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多失效模式相关的结构系统可靠性分析.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、北京 印 刷学院学报年第期多失效模式相关的结构系统可靠性分析陈琳刘长海孟惠荣中国矿业大学北京研究生部大庆石油学院中国矿业大学北京研究生部摘要机 械 结构及 零 部件 的可靠性分 析,现在大部分均采用单一失效模 式 的理论方法,而实际上,机械零 部件 的失效,绝大多数是由多种失效模式引起的,并且这 些失效模式往往是相关的。本 文讨论了一种多失效模 式相关的结构系统可靠性分析方法。与有限元 法相 结合,提 出了对于极限状态方程无解析表达式的复杂结构考虑多失效模式相关的可靠性分析方 法。并运用该方法对油田高压注水泵 阀箱 的屈 服失效和断裂失效两种失效模 式进行了可靠性分析,提 出 了对其进行可靠性

2、设计 的改进意见。关键词结构 系统相关可靠性分析注水泵阀箱一、月舀在工程结构的可靠性研究领域中,应力一强度干涉模型已经得到 了广泛的应用。文献、幻中给 出了各种应力、强度不 同分布状态 时,求解结构可靠度 的一般表达式,为可靠性理论 的发展及工程应用带来了很大的方便。实际上,工程结构与机械零部件的失效,绝大部分是由多种失效模式引起的。如压力容器的失效,可能 同时存在屈服、疲劳、断裂等失效模式。这种考虑多种失效模式 问题的复 杂性在于载荷之间、强度之间,以及结构几何尺寸等存在某种相关性。结构 系统的可靠性理论也必须考虑 各失效模式间的相关性,才能真正反映结构 的实际情况。本文讨论了一种多失效模式

3、相关的结构系统可靠性分析方法。与有限元法相结合,提出了对于极限状态方程无解析表达式 的复杂结构考虑多失效模式相关的可靠性分析方法。并运用该方法对油田高压注水泵阀箱的屈服失效和断裂失效两种失效模式进行了可靠性分析,得到 了不 同裂纹深度、不 同裂纹长度时阀箱系统可靠度的变化情况,提出了对其进行可靠性设计的改进意 见。二、多失效模式的系统可靠性理论分析多失效模式的系统可靠性,通常是先计算失效模式的可靠度、,然后估计系统可靠度 的收稿日期一一区间左,而式中为可能的失效模式数,。为个失效模式中的可靠度最小值。由于失效模式 间存在有相关性,故式不能准确地反映实际的系统可靠度。所以相关时的系统可靠性理论及

4、应用,一直是可靠性研究人员所关注的问题。考虑具有个失效模式的系统,第个失效模式的极限状态方程为,二,系统综合极限状态方程为,多失效模式、协、工、产夕二了、了、凡一凡则系统可靠度可表示为,门凡户”广二门石相关的失效模式间有正相关和 负相关。设极限状态方程、一。和一。的相关系数为今,对于正相关,即。时,式成立,而对于负相关,即,时,式不成立。这时由凡,簇尸凡可得及风簇尸及尸瓦因系统可靠度不可能小于零,即尸君,故有决簇式、式给出了系统可靠度的界限。但一般来讲该界 限可能很宽,因此有必要做进一步 的考虑。设系统失效为事件,则凡不失一般性,设,为中最大 的集合,则可表示为万,秀 秀凡君 君凡一进一步可推

5、得艺瓦一习,尸式一,镇尸,一由式式。可得系统不可靠度的界限为吧务,凡万,一习,簇簇艺,一艺,少一式 中、为失效模式所对应的不可靠度。三、联合事件概率及相关系数的确定由式可求得系统不可靠度很窄的估计区间。式中两两事件的联合概率尸瓦及相关系数内的计算方法如下。联合事件概率可以证明,当相关系数时有,镇,凡簇相关系数时有簇,凡镇,式中一中一八中一必一风中专瓮一铸绪相关系数不 同失效模式之间的相关系数定义为,易一内、一份户氏毛氏几运用可靠性分析中设计验算点的概念,则协方差,可表示为,一二、一、,一、一客篡,篡,代入式得一艺峪式中盯为标准正态变量,城为标准正态空 间的灵敏系数。对于失效极限状态方程不能 用

6、显函数表达的复杂结构,可采用有限元法计算其单元节点应力,在单元节点上建立极限状态方程,然后运用上述多失效模式的系统可靠性理论即可进行可靠度计算。四、注水泵阀箱系统可靠度计算早期注水是提高油田采收率的有效方法。当前,高压注水已成为改造低渗透油气藏和开发深部区域断块油田的重要手段。往复式高压注水泵是油田深层开发阶段所需高压注水的地面设备,其工作可靠性和服役寿命直接关系到 油田生产 的经济效益和社会效益。阀箱是高压注水泵装置中最关键的部件。阀箱 的工作寿命直接关系到高压注水泵的服役寿命。往复式高压注水泵阀箱的结构如图所示。考虑 阀箱屈服失效和断裂失效两种失效模式,取其失效极限方程为一口凡。一凡月才、

7、,其中注水泵阀箱载荷服从正态分布,阀箱材料为。,其屈服极限氏服从正态分布,断裂韧度犬,服从正态分布,侧而。由于注水泵阀箱结构的复杂性,失效极限状态方程不能用显函数表达,故本文采用有 限元法计算 阀箱的单元节点应力,在单元节 点上建立极限状态方程,运用上述多失效模式的系擎擎擎下缪缪卫缪缪、曲岔岔曰曰曰曰曰曰曰尸口口口一不不一一尸尸尸尸尸二 父父父令令令燕燕燕浑浑鱿鱿鱿洲洲书书书任任任曰曰门门图注水泵阀箱结构简图统可靠性理论进行可靠度计算。从阀箱存在表面缺陷的实际 出发,用数学方法将表面缺陷抽象成局部表面裂纹。为研究方便,设缺陷形式 为半椭圆表面裂纹,位于交变腔孔 内壁 的轴向方 向,为型裂纹。裂

8、纹 的扩展方向沿 着交变腔孔的径向方向。裂纹尖端点的应力强度因子表达式为了一“一号。盯“中一氏“式中为裂纹深度尺寸。为裂纹表面尺寸中为第二类椭圆积分,与。有关。为裂纹尖端点的当地应力。应力最大的节点处不 同裂纹深度和不 同裂纹长度时相关系数的计算结果如表所示。表相关系数计算结果由表可见,相关系数均大于零,故采用式计算联合事件瓦的范 围。然后将计算结果代入式,即得到阀箱具有不 同裂纹缺陷时,屈服失效与断裂失效综合作用时系统的可靠度。计算结果如表所示。从表所示 的结果,我 们可以得 到 不 同裂纹深度、不 同裂纹长度时注水泵阀箱的系统可靠度变化情况。当裂纹深度一 定时,随着裂 纹长度。的增 加,可

9、靠度减小当裂纹长度一定 时,随着裂纹深度的增加,可靠度亦减小。当。一,即为表面半圆形裂纹,一时,可靠度。当裂纹深度,裂纹长度时,亦有可靠度。表具有不同裂纹缺陷时的阀箱系统可靠度由上述阀箱系统可靠性分析结果可以看 出,由于阀箱材料的断裂韧度较低,其最大允许裂纹深度仅为。为提高注水泵阀箱结构可靠性,建议对其做如下改进改进 阀箱 的结构。阀箱结构 的有限元分析结果表明,交变腔孔与柱塞孔相贯处的峰值应力为,是交变腔孔其他部位应力的倍多,应改进阀箱的结构设计,减小应力集中。改善阀箱的热处理工艺。阀箱采用不 同的热处理工艺,其使用寿命不 同,不 同的淬火温度对阀箱断裂韧度的影 响也不 同圈。在阀箱表面“化

10、学热处理”的基础上,应进一步改善阀箱的热处理工艺,以提高阀箱结构抵抗断裂 的能力。五、结论本文讨论 了一种多失效模式相关时结构系统可靠性的分析方法。与有限元法相结合,提出了对于极限状态方程 无解析表达式的复杂结构考虑多失效模式相关时的可靠性分析方法。运用本文方法对油田高压注水泵阀箱 系统进行了可靠性分析。计算出考虑屈服失效和断裂失效时阀箱 的结构可靠度。得到 了不 同裂纹深度、不同裂纹长度时阀箱系统可靠度的变化情况,提出了对其进行可靠性设计的改进意见。参考文献金国梁,陈琳等,可靠性与优化及其在石油工业中的应用中国科学技术出版社,凌树森可靠性在机械强度设计和寿命估计中的应用宇航出版社,一,肠,李光福等 淬火温度对。高强度钢应力腐蚀断裂抗力的影响 材料科学与工艺,气,二曰,一厂气勺尸工